应用于标准光电高温计的多点控温系统设计

李丹，张学聪，蔡静

（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

0 引言

标准光电高温计是集成了辐射测温、精密光学、电子控制、通信技术、计量校准等多种技术的高科技产品，其主要应用于辐射温度的量值传递和高精度温度测量领域。标准光电高温计作为辐射温度的传递标准，承担着将高温固定点、标准钨带灯等辐射温度量值传递给工作用黑体辐射源的角色［1-3］。

由于标准光电高温计的测试结果容易受到外界环境温度变化的影响，因此国外研制的标准光电高温计对探测器或外壳进行了控温。据调研了解，德国IKE的LP5型标准光电高温计采用多点控温方式，控温温度设定为29℃；日本大华千野的标准光电高温计IR-RST 65H采用单点控温方式，控温温度设定为30℃。目前国产光电高温计控温系统研制领域存在不足：一些国产光电高温计无控温系统，导致测温结果易受环境温度影响；一些国产光电高温计虽然安装有控温系统，但是控温系统体积较大，需要占据很大空间。针对上述问题，本文开展了多点控温系统研究，分析标准光电高温计内部易受温度影响的关键器件位置，对多点控温系统的布控结构和控温电路进行优化设计，实现对标准光电高温计的高精度温度控制，并开展实验对多点控温系统的实际性能进行验证。

1 多点控温系统结构设计

标准光电高温计的关键元件包括滤光片、光电探测器、前置放大电路、视场光阑等。分析其组成元件：滤光片的中心波长易随温度变化而漂移；探测器的探测性能容易受到温度变化影响；前置放大电路测试噪声容易受到温度变化而漂移；视场光阑为金属材料，在测试高温时容易受热膨胀的影响，比如对高温共晶点进行测量时，由于高温共晶点温度较高，会对光电高温计的光阑有加热效果，导致光阑温度升高，光阑膨胀，导致信号增大。通过以上对标准光电高温计中重要组成元件的分析得出：滤光片、探测器等元件易受到温度波动影响而导致性能下降，因此应采用温控模块对仪器内部各重点部位进行控温。但是若分部位单独控温，控温元件体积较大，浪费空间，且各控温器件的散热会相互影响，难以达到理想的控温效果，因此提出整体控温方案。标准光电高温计采用双壳体结构，将探测器、滤光片等精密元器件置于内层壳体中，并在内层壳体上布置9个独立的控温模块，对于仪器内部性能容易受到温度影响的重要元件（包括滤光片、分光片、视场光阑、光电探测器、前置放大电路）进行控温。光电高温计内部重要元件分布示意图如图1所示。

图1 仪器内部重要元件分布示意图Fig.1 Internal distribution diagram of important instrument components

靠近重要元件部分的上面板分布3块控温模块（图2中控温模块1、控温模块2、控温模块3），底面板对应位置分布3块控温模块（图3中控温模块4、控温模块5、控温模块6），侧面靠近重要元件部分设置2块温控模块（图2中控温模块8、控温模块9），另一侧布置1块温控模块（图2中控温模块7）。9块温控模块对整机进行温度控制，从而减小外界环境温度变化对测温结果的影响。

图2 温控模块分布图（顶视图）Fig.2 Distribution diagram of temperature control module（top view）

图3 温控模块分布图（底视图）Fig.3 Distribution diagram of temperature control module（bottom view）

2 控温元件选型分析

对控温部件进行选型分析。考虑到体积小、环保、重量轻、易于控制等需求，加热部件一般采用薄膜加热片或TEC片［4-12］。首先对薄膜加热片功率进行计算分析，被控温的铝制壳体的功率计算公式为

式中：c为铝的比热容，0.88×103J/（kg·℃）；ρ为铝壳的密度，2.7 g/cm3；V为铝壳的体积，cm3；Δt为温度变化，℃。

铝壳的表面积为0.30 m2，铝壳厚度为1 cm，计算得到铝壳体积为0.0030 m3，根据式（1）计算得到温度从22℃升至30℃时，铝壳吸收的热量Q为85536 J。若升温时间为1 h，则总功率P=19.8 W，平均每片加热片的功率为2.2 W。若采用薄膜加热片作为加热部件，考虑到留有功率余量，选用电阻为10 Ω，5 V供电的薄膜加热片，每片功率为2.5 W。考虑到设备小型化要求并且便于组装，选用薄膜加热片的尺寸为22 mm×28 mm。

若采用TEC作为加热部件，根据文献［13］中的方法计算得出每片TEC流入热沉的功率为10 W，因此采用薄膜加热片的功率远小于采用TEC片的功率，并且由于TEC工作时需要组装散热片，明显增加了控温系统的体积，故最终选择薄膜加热片作为控温系统的加热部件。

3 温度控制电路设计

温度控制电路包括热敏电阻分压电路、可调预设电压电路、比较控制电路、加热开关、加热元件。控温电路设计框图如图4所示。热敏电阻同分压电阻组成分压电路，由可调预设电压电路设置参考电压，根据热敏电阻阻值随温度变化而变化的特点，通过比较热敏电阻分压和参考电压大小，由比较控制电路判断控制加热开关通断，以实现对温度的精确控制。

图4 控温电路设计框图Fig.4 Block diagram of temperature control circuit design

控温电路图如图5所示，NTC负温度系数热敏电阻和固定阻值电阻R1串联分压。负温度系数热敏电阻两端电压与电位器两端电压VR3进行比较，若V热敏电阻＜VR3，说明温度高，则输出为负，三极管截止，加热片不加热；若V热敏电阻＞VR3，说明温度低，则输出为正，三极管导通，加热片加热。其中加热片元件是发热源，应与热敏电阻尽量靠近。电阻R4（1 M）和电容C1（22 µF）组成纯积分电路，降低高频增益，避免电路在加热和冷却状态之间来回震荡。两个发光二极管D1和D2指示运放输出电平，D1发光表示达到设定温度，D2发光表示加热功率大，正在加温中。

图5 控温电路图Fig.5 Temperature control circuit diagram

NTC热敏电阻阻值与温度的关系为

式中：T1为设定温度值（热力学温度），K；T2表示常温温度25℃时的热力学温度值，K；Rt为热敏电阻在T1温度下的阻值，Ω；R为热敏电阻在T2温度下的标称阻值，Ω；B为热敏电阻的材料常数（热敏指数），K。

在本设计中，B=3950 K，R=10 kΩ，电源电压Vcc=5 V，计算得到T1=30℃时，Rt=8 kΩ。

计算NTC两端电压

根据式（3）计算得出，设置温度为30℃时，应调节电位器阻值，使得其两端电压为2.22 V。

控温模块实物如图6所示，加热片置于控温电路板和铜块之间，组装时涂抹导热硅脂使铜块与标准光电高温计壳体紧密接触。铜块正面热敏电阻作为传感器件用于控温，背面热敏电阻用于采集标准光电高温计整机壳体温度。

图6 控温模块实物图Fig.6 Physical drawing of temperature control module

4 试验验证

4.1 多点控温系统控温稳定性及重复性试验

将研制的多点控温系统安装于本单位自主研发的UP系列标准光电高温计。长期观测多点控温系统的控温稳定性，并且选取三天测试控温重复性。

开启标准光电高温计多点温控系统，采集控温模块与壳体之间热敏电阻的电压值（结果如图7至图9所示），并计算得到温度值。标准光电高温计壳体经过升温稳定后2.5 h的温度波动为0.09℃，三天的控温测试虽然起始温度不同，但是升温至30℃稳定后，温度差为0.1℃，温度一致性、重复性好。

图7 多点控温系统温度长期稳定性测试Fig.7 Long-term temperature stability test of multipoint temperature control system

图8 多点控温系统温度长期稳定性测试（局部放大图）Fig.8 Long-term temperature stability test of multipoint temperature control system（partial enlarged drawing）

图9 多点温控系统控温温度重复性测试（局部放大图）Fig.9 Temperature repeatability test of multipoint temperature control system（partial enlarged drawing）

4.2 多点控温系统对改善标准光电高温计测温稳定性的作用测试

固定点黑体辐射源是用来分度标准光电高温计的标准装置，其精度、复现性、稳定性均具有较高水平［14-16］，Chino公司的IR-R0系列Ag固定点黑体辐射源，温度理论值为961.78℃。应用Ag固定点黑体辐射源对多点控温系统开关前后标准光电高温计测温稳定性进行测试，测试系统示意图如图10所示。

图10 测试系统示意图Fig.10 Schematic diagram of test system

分别在使用多点温控系统和不使用多点温控系统两种模式下测试Ag固定点凝固温坪时的标准光电高温计输出温度值，测试结果如图11所示。开启多点温控系统，等待一段时间，待环境温度达到稳定后，测试温度值也基本稳定，稳定度在0.1℃以内；关闭多点温控系统，等待一段时间，待标准光电高温计内壳温度与环境温度达到平衡后，进行测试。此时标准光电高温计内温度随外界环境变化，测试的输出温度值呈下降趋势，稳定度在0.7℃左右。使用多点温控系统时的测温结果明显优于不使用多点温控系统时的测温结果。

图11 标准光电高温计测温结果Fig.11 Temperature measurement results of standard photoelectric pyrometer

5 结论

针对标准光电高温计测温结果易受环境温度影响的问题，研制了一套应用于标准光电高温计的多点温控系统。详细介绍了其结构组成、加热元件的选型计算以及控温模块的设计。开展试验对该系统的性能进行了验证，结果表明多点控温系统升温稳定后2.5 h的温度波动为0.09℃，三天的测试结果重复性为0.1℃。应用标准光电高温计测试Ag固定点黑体辐射源，使用多点温控系统时，标准光电高温计的测温稳定性相较不使用多点温控系统条件下有明显改善。该多点控温系统可有效保证标准光电高温计整机工作温度环境的稳定性，实现高精度温度测量，为推动国产化精密测温装置技术发展提供了有力支撑。